全數字化儀控系統在方家山核電廠中的應用

熊之光，胡 勁

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

核電站數字化儀控系統控制著整個核電站從常規島到核島幾乎所有的閥門、開關、繼電器等，數據在系統中進行集中顯示、計算處理并自動驅動執行機構，具有高可靠性、開放性、靈活性、協調性、易于維護、控制功能齊全等特點。它是核電站的大腦、神經中樞、運行中心和安全屏障，是整個核電站最關鍵、最核心技術的集中體現[1]。目前，國內新建核電站都將采用全廠數字化控制系統。

1 方家山全數字化儀控系統介紹

方家山核電廠是百萬千瓦級壓水堆核電機組，儀控

系統在系統功能、控制邏輯及功能分配上基本與參考電站保持不變，在硬件和系統結構上有很大的改進，采用了國際上成熟先進的全數字化系統，其中反應堆保護系統（RPR）基于Invensys 公司的安全級Triconex 平臺，全廠過程控制系統基于Invensys 公司非安全級I/A Series 平臺。以Triconex+I/A Series 構成電廠數字化儀控系統的主體結構，配以部分第三方專控系統，如汽輪機控制系統、堆外核測系統、棒控棒位系統，構成了方家山核電廠全數字化儀控系統。

1.1 全數字化儀控系統的總體結構

方家山核電廠DCS 系統總體結構如圖1 所示。整個系統以全數字化（DCS）儀控系統為核心，由DCS 完成主要儀控系統的數據采集和處理、過程控制、信息顯示及操作，并結合應急停堆盤（ECP）和后備盤（BUP），保證機組維持在安全狀態。

1.2 儀控系統功能分層

儀控系統根據不同功能一共分為4 層，分別為：0 層（現場層）、1 層（自動化層）、2 層（顯示操作層）、3 層（全廠技術管理層）[2]。

◇ 0 層 本級為與工藝設備接口，主要設備為：傳感器、執行器，主要功能為：檢測工藝參數和執行控制過程。

◇ 1 層 本級主要由安全級控制系統（反應堆保護系統）、非安全級的控制系統（蒸發器水位控制、穩壓器壓力控制等）、專控系統（汽輪機控制和保護系統、輻射監測系統等）以及它們各自的通訊與網絡設備組成。主要功能為：數據采集、處理、邏輯處理、控制算法運算和產生自動控制指令。

◇ 2 層 本級是人機接口層，由主控室（包括電站計算機信息和控制系統、后備盤）、應急停堆盤等設施組成。主要功能為：處理機組數據，執行機組的監測、控制和信息顯示。

◇ 3 層 更高級的電廠管理層，通過網絡與2 層連接，以獲取電廠的實時數據，把核電廠運行的主要信息提供給廠內或者廠外有關單位或部門。

1.3 儀控系統安全分級

方家山儀控系統分級主要參考“法國900MWe 壓水堆核電站設計和建造規則”（RCC-P， 1995）進行，分為安全級（1E）和非安全級（NC）兩大部分，具體分級見表1。

1.4 納入DCS系統控制的原則

全數字化儀控系統具有數據全面，可靠性高、控制算法全面，診斷功能強大以及開放靈活的特點，為了發揮DCS 的優點，在設計中盡可能將核島和常規島控制系統納入全數字化一體式設計，少量采用功能獨立的專控設備。

在方家山項目中，核島儀表控制系統主要由DCS 完成，核島的專用儀控系統，如核儀表系統（R&R）、堆芯儀表系統（AREVA）、棒控棒位系統（R&R）等由于功能獨立，又由專業工廠生產，故作為獨立系統供貨，預留與DCS 的接口。常規島儀控系統中，汽輪機控制系統（Alstom）由汽輪機廠商供貨，其他控制系統全部納入DCS 系統。

圖1 全數字化儀控系統結構圖Fig.1 Structure of the fulldigital instrument control system

表1 儀控系統功能分級表Table 1 Instrument control system function grading table

2 方家山全數字化儀控系統的組成

2.1 Triconex平臺

方家山安全級DCS（反應堆保護系統）基于TriconexV10 實現。安全級DCS 是核電廠最重要的安全電氣設備，主要功能是自動維持核電廠反應性控制、余熱排除和包容放射性物質。安全級DCS 的可靠性和可利用率的要求為：1）由DCS 設備故障引起的強迫性停堆之間的平均無故障時間應大于10 堆年；2）安全系統可靠性：誤停堆概率≤0.1 次/年；失效概率 ＜10-7/次。安全級DCS 系統在設計中必須滿足單一故障和故障安全原則。Triconex 主要特點是具備三重冗余功能，如圖2 所示，采用TMR 將3 個獨立、并聯的控制系統和廣量的在線診斷功能集成于一個系統中，該系統采用了3 取2 的表決方式，來提供高完整性、無誤差、無單一故障的連續過程處理[3]。

圖2 Triconex三重冗余Fig.2 Triconex triple redundancy

Triconex 內部通訊通過TCM（Tricon Communication Module）實現，與I/A Seris 的通訊通過ACM（Advanced Communication Module） 模 塊 實 現， 支 持TS/TSAA、Nodebus、Modbus 等協議。

2.2 I/A Seris平臺

方家山非安全級DCS 基于I/A Seris 8.x 平臺實現。I/A主要由FCP270、數字量/模擬量輸出輸入模塊、通訊模塊構成。核電廠DCS 控制系統接收來自工藝系統的模擬量、數字量信號，對信號進行邏輯處理和控制算法，給出相應的輸出信號以實現閉環的連續條件自動調節，保證工藝系統的穩態運行。在過程控制系統引入DCS，是提高核電廠經濟性和可利用率的重要手段。核電廠主要控制系統有：反應堆功率控制、蒸發器水位控制、穩壓器壓力控制、穩壓器水位控制。I/A 平臺通過I/O 卡接收來自Triconex 的硬接線信號。I/A 使用FBM233 模塊與Triconex 的ACM 模塊鏈接，單向接受Triconex 發送的網絡軟信號。

2.3 P320平臺

方家山汽輪機控制系統采用Alstom P320 V2 控制平臺。因為汽輪機控制系統比較獨立，各類參數調校DCS 總供貨商沒有辦法完美理解，為了保持汽輪機控制的穩定性與可靠性，方家山選擇了由汽輪機制造商供貨控制系統，規定汽輪機控制系統的輸出接口，方便在DCS 進行全局監控。

3 結論

數字化系統的使用，對機組的可靠性與安全性帶來巨大的提升。目前，國內核電廠全廠DCS 控制系統基本由DCS 供貨商提供安全級加非安全級產品，輔以部分專用控制系統組成。為了便于未來，應該逐步考慮將第三方供貨的小型控制系統并入DCS，例如火災、輻射監測等系統。